Использование методов и принципов ландшафтной индикации загрязнения природной среды на примере комбината «Североникель»

В 1970-1990 гг. при изучении воздействия комбината «Североникель» на северотаежные и тундровые ландшафты Приимандровой равнины и Мончетундры были разработаны принципы ландшафтной индикации загрязнения природной среды и определены экологические нормативы для ландшафтов в виде критического поступления выбросов в ландшафт.

Экологический мониторинг в 1973-1976 гг. состоял из полустационарных наблюдений за режимом выбросов тяжелых металлов и сернистых соединений, за условиями распространения и перераспределения загрязняющих веществ и поступлением их в природный комплекс.

Ландшафтный мониторинг включал в себя изучение изменений геометрии зон воздействия по индикаторам, прежде всего по снежному покрову, а также динамики техногенных модификаций ландшафтов и их геохимических характеристик. Биологический мониторинг состоял из наблюдений за состоянием фитоценозов, динамикой численности и биомассы насекомых, почвенных беспозвоночных и микроорганизмов.

Для многолетних наблюдений за динамикой природных комплексов использовался участок ландшафтной съемки площадью 80 км² и составлена ландшафтно-экологическая карта. Спустя 10-15 лет (в 1983-1990 гг.) наблюдения были повторены; определено содержание выбросов комбината в снежном покрове, ограничен геохимический ареал воздействия, измерено содержание тяжелых металлов и рН в почвах и растениях. В 1986-1987 гг. проведена еще раз ландшафтная съемка территории; выявлена динамика техногенных модификаций ландшафтов за 13-летний период и тенденции их дальнейшей техногенной трансформации.

Рассчитаны ряды интенсивности накопления ингредиентов выбросов по отношению к природному фону, установленному в 1973 г. (ККф). Проведен дисперсионный анализ влияния загрязнения снега и загрязнения почв на состояние модифицированных ПТК в сфере воздействия. Дисперсионным анализом установлено влияние типа элементарного ландшафта (положение его в геохимическом сопряжении) на его устойчивость. Рассчитана энтропия растительного покрова и природного комплекса в целом, построены информационные модели техногенных модификаций ландшафтов, на основании которых сделаны выводы о степени устойчивости северотаежных ландшафтов к воздействию комбината.

При оценке устойчивости растительности к выбросам комбината использован такой показатель разнообразия, как энтропийная мера. Наиболее информативным оказался коэффициент отношения энтропии современного нарушенного фитоценоза к энтропии условно не нарушенного фитоценоза, который существовал до воздействия комбината. Анализ энтропийной меры в техногенных модификациях позволил сделать интересные выводы (рис. 18).

Чем больше поступает техногенной информации в ландшафт, тем меньше значение энтропийной меры, т.е. природное разнообразие составляющих ландшафт компонентов и элементов. Чем интенсивнее развиты процессы вещественно-энергетического обмена в ландшафтах, тем выше их энтропия.

Минимальная энтропия прослеживается в автономных (элювиальных) природно-территориальных комплексах. Поступление вещества в них происходит только аэротехногенным способом, поэтому любое нарушение сложившейся цепочки вещественно-энергетического обмена приводит к структурным, чаще всего необратимым изменениям.

Первым признаком перестройки системы является перестройка ее биологической составляющей. Именно в автономных ландшафтах наиболее выражена зависимость природного разнообразия составляющих компонентов и элементов от количества поступающей техногенной информации.

Подчиненные ландшафты (понижения, днища, долины, западины) характеризуются менее выраженной связью между показателем разнообразия (энтропией) и поступлением техногенного вещества. При максимальных концентрациях загрязнителей в почве растительность сохраняет способность к биопродуцированию.

По мере удаления от источника загрязнения нет ярко выраженной тенденции в распределении показателя энтропии. Резкое увеличение разнообразия растительного покрова выявлено на удалении 18-20 км от комбината в пойме заболоченного ручья.

Анализ распределения энтропии подтвердил большую способность подчиненных комплексов (и прежде всего пойменного и болотно-западинного типа) к перестройке и большую их устойчивость. Такая структурная перестройка выражается в смене каналов вещественно-энергетического обмена. К каналам вещественно-энергетического обмена можно отнести, например, цепочки поступления вещества в ландшафт и выноса вещества из него. Пути поступления (выноса) вещества в подчиненных ландшафтах разные – воздушный, поверхностный, миграции через почву и т.д., а привнос техногенного вещества идет только воздушным путем.

Чем более удалены природно-территориальные комплексы от комбината, тем менее контрастно распределение энтропии в ландшафтах подчиненного и автономного типов. Происходит своеобразное «выравнивание» природного разнообразия и в сопряженных природнотерриториальных системах.

Рис. 18. Показатель энтропийной меры нарушенных фитоценозов северотаежных ландшафтов в зонах структурной перестройки комплексов и выпадения элементов и компонентов ландшафтов в сфере воздействия комбината «Североникель»:

расстояние от комбината Североникель: а – 2 км; б – 3 км; в – 8 км; г – 10 км; д – 13 км; е – 21 км; ж – 23 км; з – 26 км; 1 – вершины; 2 – склоны: а – юг; b – запад, юго-запад; с – восток, северо-восток; d – север; 3 – подножие склонов: а – юг; b – запад, юго-запад; с – восток, северо-восток; d – север; 4 – изолированные понижения на склонах; 5 – болота: а – верховые; b – низинные; с – переходные; 6 – речные долины.

Ярусы растительности: – древесные; – кустарниковый; – травянокустарничковые; О – мохово-лишайниковые

Рассмотрим техногенную трансформацию ландшафтов в северной и южной тайге, пустынной зоне и горных субтропиках под воздействием медно-никелевого, медно-молибденового и медно-химического производств.

Низкогорный северотаежный ландшафт цокольных равнин Кольского полуострова под влиянием комбината «Североникель» (интенсивного поступления тяжелых металлов и подкисления в течение 35 лет) претерпевает сложные техногенные модификации и трансформации (модификации перечислены от ненарушенного к сильно нарушенному состоянию). Ограничивается видовое разнообразие в мохово-лишайниковом и кустарничковом ярусах в сосновых, еловых и березовых мохово-лишайниковых и травяно-кустарничковых лесах, затем выпадает мохово-лишайниковый ярус и повреждаются древостой. В следующей модификации нарушаются подзолистые иллювиально-железистые почвы, уничтожается растительность, происходит смыв почвенных горизонтов. И наконец, ландшафт трансформируется в техногенный комплекс, причем претерпевает перестройку даже его литогенная основа за счет смыва рыхлого материала и формирования токсичной коры выветривания. Происходит ломка структуры ландшафта, так как техногенные модификации существуют длительное время. Ряд модификаций малочислен, что свидетельствует об относительной неустойчивости ландшафта к данному типу техногенеза.

В пределах зоны структурной перестройки ландшафтов, ограничивающейся меридиональным радиусом 1520 км и широтным радиусом 45 км, на площади 240 км² доминируют средненарушенные природные комплексы. В техногенных модификациях с менее измененной геохимической средой ежегодное поступление Ni – 0,5-1,2 т/км², Сu – 1 т/км², Со – 0,006-0,24 т/км²; повышается содержание металлов в почвах, водах на порядок по сравнению с их содержанием в коренных урочищах. В сильно нарушенных растительных сообществах сохраняется угнетенный и сухостойный древесный и травяно-кустарничковый ярус. Заметно обеднена почвенная мезофауна.

Более длительное воздействие (от 40 до 50 лет) способствовало увеличению вдвое площади зоны структурной перестройки комплексов (от 17,4 до 34 км²) и меридиональных радиусов воздействия. Зарегистрировано значительное увеличение размера зоны выпадения элементов и компонентов ландшафтов; меридиональный радиус увеличился от 15-20 до 25-30 км; широтный радиус от 4-5 км на севере постепенно расширяется до 8-10 км на юге.

Анализ динамики ареала воздействия, установленного по содержанию тяжелых металлов в снежном покрове, показал, что резко повысился уровень содержания таких ингредиентов выбросов, как никель, медь, кобальт; высокие значения присущи кадмию, свинцу, цинку.

Сфера воздействия комбината «Североникель», зарегистрированная по загрязнению снежного покрова из космоса, составляет приблизительно 900 км². Выявленные закономерности нарушения северотаежных ландшафтов можно использовать при оценке воздействия аналогичных технологий в таежной зоне.

Другой пример. В среднегорных, низкогорных и горно-долинных ландшафтах сухих субтропиков Армении под воздействием Алавердского меднохимического комбината (200 лет воздействия, интенсивная выплавка в течение 40 лет) первичные широколиственные формации в нижних ярусах рельефа заменяются вторичными редколесьями из кизила, плодовых деревьев, кустарников, в которых увеличивается доля ксерофитных видов.

Эта техногенная модификация трансформируется в злаковые куртины, и наконец, в ландшафте начинают преобладать урочища сильно эродированных горных склонов и долин, лишенных почвенно-растительного покрова с горизонтами отмершего органического вещества. В экстремальных горных условиях при сильном расчленении поверхности и значительных перепадах высот воздушный разнос ограничен, что создает предпосылки для сильных нарушений долинных и склоновых ландшафтов. Структурная перестройка ландшафтов настолько глубока, что восстановление ландшафта до зонального нереально. Техногенные модификации быстро сменяют друг друга по времени, наиболее длительно существование последних стадий трансформированной природы. Ландшафт крайне неустойчив к воздействию производств цветных металлов.

Интересны исследования воздействия на пустынные ландшафты Северного Прибалхашья медно-молибденового Балхашского комбината (время интенсивного воздействия 40 лет). Здесь происходит накопление тяжелых металлов в пустынных почвах в условиях слабощелочной реакции среды и сульфатно-кальциевого и хлоридно-сульфатно-натриевого засоления. Наиболее сильной трансформации подвержены ландшафты замкнутых котловин. Модифицирование ландшафта идет по пути его опустынивания и соленакопления, образования техногенных барьеров.

В разных зонах влияния Балхашского горно-металлургического комбината в радиусе до 4,5-5 км суммарный показатель загрязнителей > 500; интенсивного влияния от 5 до 10 км, а в СВ направлении до 20 км суммарный показатель > 100, а также в зоне слабого влияния от 20 до 45 км суммарный показатель > 2. В верхних горизонтах серо-бурых пустынных почв и почв солончаков интенсивно накапливаются медь, свинец, серебро, хром и т.д. Формирование техногенных аномалий в верхних горизонтах почв и резкое снижение их содержания на порядок с глубиной объясняются значительным воздушным поступлением выбросов и их концентрацией на испарительном и биогеохимическом барьерах и подтверждают слабую подвижность катионогенных элементов в щелочной среде серо-бурых пустынных почв. Менее интенсивно в верхних горизонтах почв накапливаются молибден и мышьяк, обладающие сильной подвижностью в щелочной среде.

Воздействие Балхашского медно-молибденового комбината на пустынные ландшафты индицируется прежде всего повышением содержания меди во всех трех формах миграции. Чтобы очертить сферу воздействия, достаточно определить содержание меди в двух верхних горизонтах серо-бурых почв мощностью А,, (0-2), А (2-10) и в верхних горизонтах солончаков мощностью до 10-20 см. Для оценки экологической опасности загрязнения почв для растений и животных необходимо изучать формы миграции тяжелых металлов в различных формах.

Выявлены следующие закономерности: в серо-бурых пустынных почвах полуторные окислы составляют от 5 до 30% суммарного валового содержания тяжелых металлов (меди – от 10 до 30%, свинца – от 5 до 20%, цинка – от 10 до 20%); на два порядка ниже содержание водорастворимых форм металлов в почвах; так, водорастворимая медь доставляет от 0,15 до 0,3% от валового содержания. Отмечается общая тенденция увеличения содержания водорастворимых форм металлов от автономных к подчиненным ландшафтам. С нарастанием засоления серо-бурых пустынных почв увеличивается содержание подвижных форм тяжелых металлов, максимальное количество их наблюдается в серо-бурых солончаковых почвах и солончаках.

В целом для пустынных ландшафтов характерны интенсивная механическая денудация и эоловый перенос микроэлементов, слабая водная миграция и слабое перераспределение в системе автономный – подчиненный ландшафты. Тем не менее ландшафты низких террас и пониженных равнин в гораздо большей степени подвержены потенциальной опасности загрязнения вследствие доминирования солончаков и солонцов, обладающих большими поверхностями испарительных и экогеохимических барьеров, а также из-за вновь сформированных здесь техногенных барьеров, за счет резкого подкисления среды (изменение рН от 8-9 до 3-4).

Таким образом, при воздействии производств цветных металлов происходят сильные трансформации ландшафтов во всех природных зонах. Зональная устойчивость ландшафтов к воздействию производств цветных металлов определяется сравнением площадей разно нарушенных территорий при условии одинаковой интенсивности и продолжительности воздействия.

Рассмотренные примеры иллюстрируют зональную устойчивость ландшафтов к техногенному воздействию, которую учитывают в числе других факторов при оценке воздействия технологических аналогов на природную среду в различных природных зонах.